Industriella exoskeletter

Exoskeletter som används på arbetsplatsen kallas ”industriella exoskeletter”. Deras syfte är att öka, förstärka eller förstärka prestandan hos en arbetstagares befintliga kroppsdelar – främst ländryggen och de övre extremiteterna (armar och axlar). Trots brist på forskning hävdar tillverkarna av dessa anordningar att de ökar produktiviteten, förbättrar arbetskvaliteten och minskar risken för arbetsrelaterade muskuloskeletala sjukdomar. En ny kommentar från NIOSH i American Journal of Industrial Medicine belyser några av de potentiella fördelarna och riskerna med exoskeletter för industrin. Artikeln varnar för att det behövs forskning för att utvärdera exoskelettets effektivitet inom olika industrisektorer innan det sker en omfattande implementering av industriella exoskeletter.

I USA ökar de ekonomiska konsekvenserna av arbetsskador snabbt. WMSD stod för en sammanlagd ekonomisk påverkan på 367,1 miljarder dollar 1996 och 796,3 miljarder dollar 2009-2011, en ökning med 117 %.,. Om exoskeletter skulle minska de mekaniska påfrestningar som är förknippade med manuell materialhantering skulle de ha potential att minska de höga halterna av arbetsskador som förekommer i många branscher.

Det finns två huvudtyper av exoskeletter för industriellt bruk. Ett ”aktivt” exoskelett kan drivas med hjälp av manöverdon som elmotorer, pneumatik, hydraulik eller en kombination av dessa tekniker och kallas ofta för ett ”robot-exoskelett”. Naturliga mänskliga rörelser driver ett ”passivt” exoskelett genom fjädrar och motviktskrafter. De flesta kommersiellt tillgängliga industriella exoskeletter kan delas in i följande kategorier: (a) ryggstöd, (b) axel- och armstöd, (c) verktygshållning/stöd och (d) benstöd. Exoskeletter med ryggstöd används i första hand för att ge allmänt stöd för ländryggen, för att bibehålla en korrekt hållning och för att hjälpa till vid lyft eller statisk hållning. Exoskeletter med axelstöd och övertaliga (icke-antropomorfa) exoskeletter med stöd för att hålla i verktyg används för att stödja de övre extremiteterna vid uthålligt arbete ovanför huvudet eller för att hjälpa till att hålla i tunga verktyg. Benstödsanordningar ger stöd till höft-, knä- eller fotled vid enkla rörelser eller när man bär en last, eller fungerar som ett alternativ till en stol för att underlätta när man står under långa perioder.

Tillämpade exoskelettanordningar som kan bäras kan vara fördelaktiga när det gäller att minska belastningen på muskler och skelett som inte på annat sätt minskas genom förändringar i de tekniska processerna.

Dessa kan sedan leda till en minskning av symptomen på WMSD och möjligen även till en minskning av antalet WMSD-incidenter. De flesta studier hittills har dock endast omfattat ett litet antal deltagare (många studier med mindre än 15 deltagare) i laboratoriemiljöer, vilket gör det svårare att dra säkra slutsatser om fördelarna med industriella exoskeletter trots förväntningarna på deras roll i skadeförebyggande syfte. Den hittillsvarande forskningen identifierar följande potentiella fördelar och risker i samband med användningen av exoskeletter på arbetsplatsen.

Potentiella fördelar

Exoskeletter för den nedre delen av ryggen

• Dynamiska lyft med hjälp av ett passivt exoskelett som är utformat för att minska belastningen på ryggraden och förbättra hållningen visade att exoskeletten minskade muskelaktiviteten och minskade belastningen på ryggradsmusklerna, vilket resulterade i en minskad total trötthet i ryggradsmusklerna.
• Statisk böjning av bålen minskade muskelaktiviteten och belastningen på ryggraden.
• Ett bärbart exoskelett har utformats för att hjälpa byggnadsarbetare att arbeta i mer neutrala arbetsställningar för att minska belastningen på ländryggen.

Exoskelett för övre extremiteter

• Studier har visat att exoskelett för övre extremiteter kan spela en roll för att minska WMSD i axeln. Exoskeletter med axelhjälp har visat sig minska axelbesvär samtidigt som de ökar produktiviteten och arbetskvaliteten bland målare och svetsare.
• Minskad belastning av deltoideusmuskeln har visats för olika typer av arbetsuppgifter över huvudet vid användning av ett exoskelett med axelhjälp.
• Spinal kompressionskrafter minskade med nästan 20 % och skjuvkrafter minskade med 30 % vid användning av exoskelett.
• När exoskeletter för övre extremiteter används tillsammans med ett proaktivt ergonomiprogram kan sådana anordningar minska riskfaktorer i samband med arbetsrelaterade axelskador.

Potentiella risker

• Den amerikanska kommissionen för konsumentproduktsäkerhet (Consumer Product Safety Commission, CPSC) varnade för att muskelspänningar kan uppstå om ett drivet exoskelett rör sig utanför det normala rörelseomfånget för användarens led(ar). Bärbara enheter kan orsaka hudirritation eller kemiska brännskador om ett exoskelettbatteri läcker frätande material. Om ett batteri i ett exoskelett plötsligt laddar ur den lagrade energin kan termiska brännskador uppstå.
• En studie visade att användning av ett tungt verktyg (13,6 kg) med en västmonterad stabiliserande arm resulterade i ökad belastning på ryggraden. Detta illustrerar vikten av att anpassa ett exoskelettsystem på lämpligt sätt till arbetsuppgiftens egenskaper.
• I en studie minskade exoskelettanordningar för de övre extremiteterna inte den totala belastningen på arbetstagaren, utan flyttade snarare belastningen från axlarna till nedre delen av ryggen och benen.
• Andra risker är bland annat trycksår eller komprimerade nerver vid långvarig användning.
• I försök inom byggbranschen har arbetstagaren uttryckt oro över hygienen. När anordningar används av flera personer kan dålig hygien sprida smittsamma sjukdomar, särskilt i varmare klimat.
• Vissa exoskeletter är otympliga eller besvärliga och kan begränsa användarens totala rörlighet, inklusive förmågan att undvika kollisioner med ett rörligt föremål.
• Vissa exoskeletter kan avsevärt förflytta användarens tyngdpunkt, vilket orsakar balansproblem och minskar användarens förmåga att återhämta sig efter att ha förlorat balansen.
• Det finns en risk för övertro på exoskelettteknik. Användningen av exoskeletter bör begränsas till att hantera restrisker – risker som inte kan elimineras på ett genomförbart sätt genom tekniska kontroller.
• Risköverföring är ett ytterligare övervägande. Om ett exoskelett ökar den tid som en arbetstagare kan hålla ett verktyg kan detta öka andra exponeringar som sker samtidigt under långa perioder, t.ex. handöverförda vibrationer, buller och exponering för andningsbara toxiner.

Denna blogg tar upp de viktigaste punkterna när det gäller den framtida användningen av exoskeletter på arbetsplatsen. En mer djupgående diskussion finns i artikeln. Innan en omfattande implementering av industriella exoskeletter sker behövs forskning för att utvärdera exoskelettens effektivitet när det gäller att minska riskfaktorerna för WMSD i samband med olika industriella arbeten inom olika industrisektorer. Forskningsvärlden inom säkerhet och hälsa på arbetsplatsen och de som genomför användningen av exoskeletter på arbetsplatsen bör samarbeta för att utveckla en forskningsstrategi för att fylla de nuvarande kunskapsluckorna inom säkerhet och hälsa och förstå fördelarna, riskerna och hindren för införandet av industriella exoskeletter. Det är också viktigt att fastställa om exoskeletter kan betraktas som en typ av personlig skyddsutrustning och att arbeta tillsammans för att främja konsensusstandarder som behandlar säkerhet för exoskeletter.

NIOSH deltar tillsammans med flera andra federala organ i ASTM:s kommitté F48 om exoskeletter och exodräkter. Denna kommitté för utveckling av standarder tar itu med potentiella risker genom ett antal standardiseringsaktiviteter. Ämnen som är aktiva eller under utveckling är bland annat: säkerhetsöverväganden vid utformning och val av exoskelett, systemutbildning, lasthantering vid användning av ett exoskelett, registrering av miljöförhållanden för användning med testmetoder för exoskelett, märkning och information för exoskelett och exodräkter samt instruktioner för slitage, skötsel och underhåll.

NIOSH planerar flera forskningsprojekt, bland annat (1) bedömning av effekterna av exoskeletter med ryggstöd vid manuell materialhantering inom grossist- och detaljhandelssektorn; (2) bedömning av de longitudinella hälsoeffekterna av exoskeletter med passiva axlar inom tillverkningssektorn, (3) utvärdering av säkerhetsrisker som potentiellt är förknippade med exoskeletter vid arbete på upphöjda ytor inom byggsektorn, (4) undersökning av möjligheten att använda exoskeletter för säker hantering av patienter inom hälso- och sjukvårdssektorn, (5) utredning av tillämpningen av exoskeletter inom gruvindustrin, och (6) utvärdering av exoskelettsystem för att minska handöverförda vibrationer.

Om du har använt eller överväger att använda exoskeletter på din arbetsplats, vänligen ge synpunkter på följande frågor i kommentarsfältet nedan.

1. Vilka erfarenheter har du haft av att använda exoskeletter för industriellt arbete?
2. Vilka typer av hinder har du stött på när du infört exoskeletter på din arbetsplats?
3. Vilka frågor eller problem skulle du vilja att konsensusstandarder för exoskeletter för industriellt arbete tar upp?

John Howard, MD, är direktör för National Institute for Occupational Safety and Health.

Vladimir Murashov, PhD, är senior forskare vid NIOSH:s direktörskontor.

Brian D. Lowe, PhD, CPE, är industriell forskningsingenjör vid NIOSH:s avdelning för fältstudier och teknik.

Jack Lu, PhD, CPE, är forskningsergonom vid NIOSH Division of Field Studies and Engineering och chef för NIOSH Musculoskeletal Health Cross-Sector Program.

För mer information

Proceeding of the 2018 Ergo-X Symposium: Exoskeletter på arbetsplatsen – bedömning av säkerhet, användbarhet och produktivitet

Center for Occupational Robotics Research

Exoskeletter i byggbranschen: Kommer de att minska eller skapa risker?

Wearable Exoskeletons to Reduce Physical Load at Work

Wearable Technologies for Improved Safety and Health on Construction Sites

Goldenhar LM, LaMontagne AD, Katz T, Heaney C, Landsbergis P. The intervention research process in occupational safety and health: an overview from the National Institute for Occupational Safety and Health intervention effectiveness research team. J Occup Environ Med. 2001;43(7):616-622. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11464392

American Academy of Orthopaedic Surgeons. USA:s ben- och ledinitiativ. Belastningen av muskuloskeletala sjukdomar i USA. 3rd Ed. Rosemont, Illinois: U.S. Bone and Joint Initiative; 2016. https://www.boneandjointburden.org/docs/The%20Burden%20of%20Musculoskeletal%20Diseases%20in%20the%20United%20States%20(BMUS)%203rd%20Edition%20(Dated%2012.31.16).pdf

Yelin E, Weinstein S, King T. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Semin Arthritis Rheu. 2016;46(3):259-260. https://doi.org/10.1016/j.semarthrit.2016.07.013

Bostelman R, Messina E, Foufou S. Cross-industry standard test method developments: from manufacturing to wearable robots. Front Inform Technol Electron Eng. 2017;18(10):1447-1457.

Marinov B. Typer och klassificeringar av exoskeletter. Exoskeleton Report. 2015. https://exoskeletonreport.com/2015/08/types‐andclassifications‐of‐exoskeletons/. Tillgänglig den 1 september 2019.

de Looze MP, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O’Sullivan LW. Exoskeletter för industriell tillämpning och deras potentiella effekter på fysisk arbetsbelastning. Ergonomi. 2015;59(5):671-681.

Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ. Ergonomisk utvärdering av ett bärbart hjälpmedel för arbete över huvudet. Ergonomics. 2014; 57(12):1864-1874. https://doi.org/10.1080/00140139.2014.952682

Zoss AB, Kazerooni H, Chu A. Biomekanisk utformning av Berkeley lower extremity exoskeleton (BLEEX). IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2006;11(2):128-138. https://ieeexplore.ieee.org/document/1618670

Kim W, Lee H, Kim D, Han J, Han C. Mechanical design of the Hanyang exoskeleton assistive robot (HEXAR). 14th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2014). https://ieeexplore.ieee.org/document/6988049. Accessed October 31, 2019.

Luger T, Cobb TJ, Seibt R, Rieger MA, Steinhilber B. Subjektiv utvärdering av ett passivt industriellt exoskelett för nedre extremiteter som används under simulerad montering. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors. 2019:1-10. https://doi.org/10.1080/24725838.2018.1560376

Lowe BD, Dick RB, Hudock S, Bobick T. Wearable exoskeletons to reduce physical load at work. NIOSH Science Blog. 2016. https://blogs. cdc.gov/niosh-science-blog/2016/03/04/exoskeletons/. Tillgänglig den 1 september 2019.

Lowe B, Billotte WG, Peterson DR. ASTM F48 formation och standarder för industriella exoskeletter och exodräkter. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors. 2019:1-7. https://doi.org/10.1080/24725838.2019.1579769

Bosch T, van Eck J, Knitel K, de Looze M. Effekterna av ett passivt exoskelett på muskelaktivitet, obehag och uthållighetstid vid framåtböjt arbete. Appl Ergon. 2016;54:212-217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2015.12.003

Theurel J, Desbrosses K, Roux T, Savescu A. Fysiologiska konsekvenser av att använda ett exoskelett för övre extremiteter under manuella hanteringsuppgifter. Appl Ergon. 2018;67:211-217. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.10.008

Kim S, Nussbaum MA, Esfahani MIM, Alemi MM, Alabdulkarim S,Rashedi E. Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks require arm elevation: Del I – ”Förväntade” effekter på obehag, axelmuskelaktivitet och arbetsuppgifter. Appl Ergon. 2018;70:315-322. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.025

Kim S, Nussbaum MA, Esfahani MIM, Alemi MM, Jia B, Rashedi E. Assessing the influence of a passive, upper extremity exoskeletal vest for tasks requiring arm elevation: Del II – ”Oväntade” effekter på axelrörelse, balans och belastning av ryggraden. Appl Ergon. 2018;70:328-330. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.024

Baltrusch SJ, van Dieen JH, van Bennekom CAM, Houdijk H. Effekterna av ett passivt bål-exoskelett på funktionell prestanda hos friska individer. Appl Ergon. 2018;72:94-106. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.04.007

Huysamen K, Bosch T, de Looze M, Stadler KS, Graf S, O’Sullivan LW. Utvärdering av ett passivt exoskelett för statiska hållningar av övre extremiteter. Appl Ergon. 2018;70:148-155. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.02.009

Weston EB, Alizadeh M, Knapik GG, Wang X, Marras WS. Biomekanisk utvärdering av exoskelettanvändning på belastning av ländryggen. Appl Ergon. 2018;68:101-108. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2017.11.006

Alabdulkarim S, Nussbaum MA. Inverkan av olika exoskelettkonstruktioner och verktygsmassa på fysiska krav och prestanda i en simulerad borrningsuppgift ovanför huvudet. Appl Ergon. 2019;74:55-66. https://doi.org/10.1016/j.apergo.2018.08.004

Cho YK, Kim K, Ma S, Ueda J. A robotic wearable exoskeleton for construction worker’s safety and health. Construction Research Congress 2018: Safety and disaster management-Selected papers from the Construction Research Congress, april 19-28, 2018. https://ascelibrary.org/doi/pdf/10.1061/9780784481288.003. Tillgänglig den 1 september 2019.

Butler T. Exoskelettteknik. Att göra arbetstagarna säkrare och mer produktiva. Prof Saf. 2016:32-36. https://www.pathwaynpi.com/wpcontent/uploads/ASSE_Exoskeleton_Sept‐2016.pdf

Gillette JC, Stephenson ML. EMG-analys av exoskelett för överkroppen under montering av bilar. 42nd Annual Meeting of the American Society of Biomechanics, Rochester, MN. 8-11 augusti 2018. https://www.researchgate.net/publication/327187565_EMG_analysis_of_an_upper_body_exoskeleton_during_automotive_assembly. Tillgänglig den 1 september 2019.

Smets M. En fältutvärdering av exoskeletter med armstöd för arbete över huvudet vid montering av fordon. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors. 2019:1-7.

Consumer Product Safety Commission. Potentiella faror i samband med ny och framtida teknik. Staff Report, 18 januari 2017. https://www.cpsc.gov/s3fs‐public/Report%20on%20Emerging%20Consumer%20Products%20and%20Technologies_FINAL.pdf. Tillgänglig den 1 september 2019.

Kim S, Moore A, Srinivasian D, et al. Potential of exoskeleton technologies to enhance safety, health, and performance in construction: industry perspectives and future research directions. IISE Trans Occup Ergonomics Hum Factors, 1-7. https://doi.org/10.1080/24725838.2018.1561557

Zingman A, Earnest GS, Lowe BD, Branche CM. Exoskeletter i byggbranschen: kommer de att minska eller skapa risker? NIOSH Science Blog. June 15, 2017. https://blogs.cdc.gov/niosh-science-blog/2017/06/15/exoskeletons-in-construction/. Tillgänglig den 1 september 2019.

McDowell TW, Xu XS,Warren C, Welcom DE, Dong RG. Effekterna av exoskelettvästar på handöverförda vibrationer. Proceedings of the 14th International Conference on Hand-Arm Vibration, 21-24 maj 2019, Bonn, Tyskland, s. 69-70. https://www.dguv.de/medien/ifa/de/vera/2019_hav/hav_2019_abstracts.pdf. Accessed September 1, 2019.